气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测系统和方法

1.本发明涉及气液两相流速度场测量领域，具体地说是一种气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测系统和方法。


背景技术：

2.目前，气液两相流截面速度的场的测量还没有很好的测量方法，流速测量方法主要有光学，声学，电学，力学等方法。
3.光学法主要有piv、ptv等，利用工业相机，快速拍摄荧光粒子，利用粒子的跟随性，表征流场的流体特征。近些年来，两相流研究逐渐趋向于piv全流场测量手段，但传统piv技术由于图像预处理方法落后，无法解决图像噪声高，错误信息过多等问题，造成流场分布精度差，误矢量增加等。这使得两相流研究在流体测量应用方面具有较大的局限性，尤其是在分散相含量较高的情况下，各粒子都具有不同的运动速度、轨迹等特点，容易在相关性计算过程中产生误判。此外还有激光技术，利用图像卷积定位、傅里叶变换频率分析及其图像互相关测速等图像处理手段从干涉图像中自动提取粒子的位置、直径和速度信息。
4.声学主要以超声技术实现流量测量。与其他传统流量测量方法相比超声测量流体流量具有很多优势。超声测量的体积流量不受被测流体的温度﹑压力粘度及密度等热物性参数的影响。由于声波能够在不同介质中的传播特性,超声技术可以应用于测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。超声技术能够很好应用于实际工程中流体流量测量。
5.基于热平衡原理的热式流量计,因其对低流量灵敏﹑无机械结构、对流体状态影响很小、适用于各种管道等优点,成为气、液等流量测量的解决方案。
6.基于流体力学知识，压力变化同样是传统流量测量的技术方法，差压传感器dps(differential pressure sensor)是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差。差压传感器在微流量测量、泄漏测试、洁净间监测、环境密封性检测、气体流量测量、液位高低测量等许多高精度测量场合都有着广泛的应用。在有固定截面的明渠和管道中，如采用差压传感器来测流量时，可事先设定一个流量系数，测出具有一定精度的
△
h，便可得出流量。差压流量计作为应用最广泛的流量计，它的结构组成主要包括压差发生装置和压差测量装置，压差发生装置常用的有孔板、喷嘴和文丘里管等。
7.现有的测速流量计只能测管道里整个流体的速度，但是不能测得具体某一位置的速度，因为在实际流体管道内，紧邻管壁的流速和管道中心的流速是不一样的。


技术实现要素：

8.本发明的目的之一就是提供一种气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测系统，以解决现有技术中多相流量速度场的测量难度大的问题。
9.本发明的目的之一是这样实现的：一种气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测系统，包括有：采集气液两相流截面速度信息的阵列通道；给所述阵列通道提供气液两
相流的流体循环装置；以及对所述阵列通道采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置；
10.所述阵列通道包括有设置在迎流面一端的数据提取管段、设置在中间的观测管段和设置在背流面一端的稳流管段；所述数据提取管段由多个横截面为正六边型的小通道阵列而成；在每个所述小通道的两端分别设置有压力传感器，形成两组阵列压力传感器传感器，所述阵列压力传感器传感器与所述数据处理控制装置相连接。
11.进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
12.所述阵列压力传感器传感器通过数据采集卡与所述数据处理控制装置相连接，所述数据采集卡与巡检仪相连接。
13.所述稳流管段由多个横截面为正六边形的小通道阵列而成；所述观测管段为透明的亚力克管段；在所述阵列通道两端分别设置有法兰。
14.所述流体循环装置包括有水源单元、气源单元和检定管路单元；
15.水源单元包括有串接的水箱、水泵、水塔；
16.气源单元包括有串接的气泵、稳压罐、干燥器；
17.检定管路单元，包括有连接混合器的三条管线，第一条管线与所述水塔连接并串接有标准流量计、压力表和温度表；第二条管线与所述干燥器连接并串接有压力表和标准流量计；第三条管线通过压力表与所述水箱连接；
18.所述阵列通道设置在检定管路单元的第一条管线上；
19.所述数据处理控制装置与所述流体循环装置相连接，控制所述流体循环装置进行水源和气源的循环工作。
20.所述数据处理控制装置包括有工业控制计算机、plc模块、继电器和电源。
21.本发明的目的之二就是提供一种气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测方法，以解决现有方法中无法对多相流量速度场进行测量的问题。
22.本发明的目的之二是这样实现的：一种气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测方法，包括如下步骤：
23.a、所述气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测方法应用于权利要求1所述的气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测系统；
24.b、由流体循环装置给阵列通道提供稳定的气液两相流，气液两相流在阵列通道内的压力传感器两端产生电信号，并且输出到数据处理控制装置中，压力传感器的表达式为：
25.e＝kδp
(x，y)
26.δp
水(x，y)
＝h
f水
ρg
27.δp
气(x，y)
＝h
f气
ρg
28.由v2＝2hfdg/λl，推得阵列通道内气液两相流速度表达关系式为：
[0029][0030]
式中，pn为测得的管道内压力值，p
水
为气液两相的分界压力值，e为电信号，k为压力与电信号转换系数，f(x，y)为各位置小通道速度表达函数，hf为作用力产生的沿程阻力损失h，λ为沿程阻力系数，d为管道内径，l为流体在管道的层流段长度，g为测量当地的重力
加速度，单位m/s2，δp
(x，y)
为坐标为(x，y)测量小通道的压差；
[0031]
c、小通道内的压力值通过压力传感器检测并实时传输到数据处理控制装置中，两个压力传感器产生在小通道内的不同位置压力相减，产生压力差δpn；
[0032]
当小通道内的压差大于水相的最小压差时δpn≥δp
水min
≥0，此时，小通道内的压差为水相产生的压差δpn＝δp
水相(x，y)
，则管道内的流体速度，则管道内的流体速度
[0033]
当小通道内的压差小于水箱的最小压差时δp
水min
≥δpn≥0，此时，小通道内的压差为气相产生的压差δpn＝δp
气相(x，y)
，则管道内的流体速度，则管道内的流体速度
[0034]
e、数据处理控制装置对每一组小通道内的气液两相流的速度进行整合，最后得到气液两相流的截面速度场。
[0035]
进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：
[0036]
在所述b步骤中，接通电源，打开检定管路单元的旋拧阀门，打开水源单元和气源单元，水泵将水箱中的水抽出并流向水塔高处，形成水压差从底端流出，水依次流过标准流量计、压力表、阵列通道和温度表，水箱中的水和气源单元中的气体一起通入混合器，最后到达水箱形成闭环。
[0037]
在所述b步骤中，气液两相流体在一定时间段内呈现稳定状态，流体经过阵列通道时，巡检仪和数据采集卡开始运行，对每一个小通道内的传感器进行电源供给以及信号采集，信号由fpc线路板传输到巡检仪上，并传输到数据采集卡，每次巡检阵列通道一层小通道内的压力信息，采集过后的信号进入数据处理控制装置。
[0038]
本发明通过在阵列通道内设置由多个横截面为正六边形的小通道阵列而成的数据提取管段，并在每个小通道的两端分别设置有压力传感器，由两个压力传感器在小道内的不同位置的压力相减，产生压力差，同的管道内压力差值不同，代表着管道内流体的流速不同。由于气液两相压力差异较大，也可作为区分小通道的内气体和液体的标准。不同位置的压力会有不同的体现，在不同的小通道内同样的位置和同样的距离，布置同列的压力传感器。气液两相流通过小通道时由于存在沿程损失，根据压力差和沿程损失，就可以得到小通道内气液两相流的流速特征。将所有小通道内的气液两相流的流动速度提取，组合成整个管道截面气液两相流的截面速度场。本发明的压力传感器体积小，量程大、精度高等特点，为实现气液两相流截面速度场的测量提供一种新的方法。
附图说明
[0039]
图1是本发明的结构示意图。
[0040]
图2是本发明阵列通道的结构示意图。
[0041]
图3是本发明小通道的结构示意图。
[0042]
图4是本发明阵列通道中数据提取管段的截面图。
[0043]
图中：1、干燥器，2、旋拧阀门，3、标准流量计，4、水泵，5、阵列通道，6、温度表，7、压
力表，8、数据提取管段，9、法兰，10、稳流管段，11、观测管段，12、前侧压力传感器数据线，13、后侧压力传感器电源线，14、前侧压力传感器电源线，15、后侧压力传感器数据线，16、小通道、17、压力传感器，18、fpc电路板。
具体实施方式
[0044]
实施例1
[0045]
如图1所示，本发明的气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测系统，包括有采集气液两相流截面速度信息的阵列通道5；给所述阵列通道5提供气液两相流的流体循环装置；以及对所述阵列通道5采集的数据进行处理和控制的数据处理控制装置。
[0046]
如图2所示，阵列通道5包括有设置在迎流面一端的数据提取管段8、设置在中间的观测管段11和设置在背流面一端的稳流管段10。观测管段11为透明的亚力克管段，可用于光学，声学，以及其他非侵入式的测速仪器的检测，可根据需要接入其他方式测量仪器，用于检测流固场中粒子的速度信息，检验其他流速测量装置的准确性。观测管段11是为了经过流体仿真验证，在分层流状态下，阵列通道5里的流体流速可以代替观测管段11内的流速。流体通过总管道流经数据提取管段8，再流过观测管段11，再流经稳流管段10，后面的稳流管段10目的是为了整流，形成稳定的流形。流体经过阵列通道5后，在观测管段11重新组合形成管道内的气液两相流，由于后方同样的阵列式小通道16的稳流管段10，使流形在一定范围内固定。在一定的流速范围内，观测管段11的流速可以用数据提取管段8内的流速所代替。
[0047]
数据提取管段8和稳流管段10均由多个横截面为正六边形的小通道16阵列而成，起到稳定流形的作用。这些阵列在一起的小通道16是通过3d打印的光敏树脂材料组成。在数据提取管段8的小通道16两端分别设置有压力传感器17，形成两组阵列压力传感器17传感器，用于通道内的气液两相流流速检测。
[0048]
小通道16的截面采用正六边形形状，同样多的材料，六边形结构受力最稳定，六边形拼接在弯成曲面时产生的缝隙最小，空间利用率最高。流体在管道中流动时，会产生压力损失。由于所有小通道16的截面面积相同，所以在流体材料相同时，不同的管道内压力差值不同，代表着管道内流体的流速不同。两相流是两种材料，分别为气相和水相，两相由于量程不同，所以小通道16内压力大小会有很大差异，以区分气液两相。
[0049]
根据流体在管道中沿程损失与流速关系，设计小管道内压力传感器17的摆放位置，压力传感器17采用mems技术制作的微型传感器，传感器镶嵌在pfc电路板上，每一个小通道16上分布着距离相同的两个小孔，且小孔大小可以正好能够穿过压力传感器17。压力传感器17量程大，且精度高，保证能够测量水相压力的同时，能够同样测量气相的压力，由于压力变化较小，所以要求传感器有一定的精度。接线于管道壁接出，接出线由电源供电以及数据采集卡，为避免过多数据采集卡与电源，也为避免其他因素干扰，电源与数据采集卡中间设置巡检仪，每层巡检，采集数据。
[0050]
由两个压力传感器17产生在小通道16内的不同位置压力相减，产生压力差，信号由fpc线路板传输到巡检仪上，并传输到数据采集卡，每次巡检一层小通道16内的信息。同样供电系统也是由巡检仪进行巡检，进而实现每层压力传感器17信号的采集及传输。再由所有的信号集合形成气液两相界面速度场。该阵列压力传感器17传感器通过数据采集卡与
数据处理控制装置相连接，数据采集卡与巡检仪相连接。
[0051]
数据提取管段8是由3d打印小通道16、fpc线路板、mems压力传感器17组成，利用3d打印制作阵列的截面为正六边形小通道16作为稳定流场的基本骨架。利用fpc线路板作为连接出的电路板以及信号接出的信号传感线，mems压力传感器17作为传感单元。利用印刷电路板技术，印刷出fpc电路板18，当fpc电路板18上压力传感器17与通孔位置重合后，将fpc电路板18和小通道16粘连在一起，并将每一排小通道16粘连起来组成阵列压力传感器17传感器。在流体经过时通过阵列压力传感器17传感器实现对气液两相流特征的检测，并且前后一段距离内组成两组阵列压力传感器17传感器，压力传感器17做好防水措施，且不影响流场内的气液两相流动。
[0052]
如图3和图4所示，小通道16的截面为边长1mm正六边型孔，在通道壁上开有压力传感器17与水接触的通孔。整体管道截面布置1124个小通道16结构通孔。通孔之间的中心距为1.1mm，外圈小孔圆心距离管壁的距离为0.5mm。在阵列通道5两端分别设置有法兰9。在数据提取管段8的前侧压力传感器17处设置有前侧压力传感器数据线12和前侧压力传感器电源线14，在后侧的压力传感器17处设置有后侧压力传感器数据线15和后侧压力传感器电源线13。将数据提取管段8和稳流管段10放入亚克力管道中，接出引线，并与法兰9连接，避免流体流出现象。
[0053]
fpc电路板18外接出的引线通过数据采集卡与数据处理控制装置相连接。由稳定电源供电，电源接到巡检仪上，同时数据采集卡同样接到巡检仪上。信号由fpc线路板传输到巡检仪上，并传输到数据采集卡，每次巡检一层阵列通道5内的信息。同样电源也是由巡检仪进行巡检，进而实现每个压力传感器17信号的采集及传输。为保证同时性，在电源巡检仪，及数据采集卡巡检仪前端设置同时开关，使得两组巡检仪同时进行巡检，实现每一个通道内的压力传感器17快速接通以及快速反应。巡检仪与阵列压力传感器17传感器配合使用，可对多路温度、压力、液位、流量、重量等过程参数进行巡回检测、报警控制、变送输出、数据采集及通讯。
[0054]
如图1所示，流体循环装置包括有水源单元、气源单元和检定管路单元。水源单元包括有串接的水箱(容积为11.5m3)、水泵4(25lg3-10x5、3m3/h、2.2kw)、水塔(2
×2×
2.5m)。水箱用于提供实验所需的水源。水塔是利用高度差形成较大的水压，水泵4是提供水循环所需的动力，三者共同作用为流体循环装置提供足够压力的水源。
[0055]
气源单元包括有串接的静音气泵(流量2.6nm3/min、压力1.1mpa、11.5kw)、稳压罐(单个容积2.5m3、压力1.0mpa)、干燥器1(常温220v、3.5m3)。静音气泵为流体循环装置提供足够压力和足够气量的洁净气体，且使得噪音降到最低。稳压罐能够提供足够的储气空间和压力调节功能，使得输出的气体压力稳定，且便于调节。
[0056]
检定管路单元包括有连接混合器的三条管线(dn25/20/15/10、dn50/40/32、dn100/80/65)，每条管线配置前后直管段、旋拧阀门2、气动夹表器、短节，以及
±
0.075％的绝压变送器和0.2％温度变送器等。直管段用于稳流，按照前十后五(入口前需要安装有管道内径十倍距离的直管段，出后需安装有管道内径五倍距离的直管段)的原则进行小通道16装置的安装。旋拧阀门2用于流体循环装置阀门2的开关。气动夹表器用来固定所检定的阵列通道5。管路及短节可以在直线导轨上前后滑动，直管段与短节采用快装结构，方便变径管线的安装连接。绝压变送器用于随时监测管道内部的压力情况。温度变送器是把温度
传感器的信号转变为电流信号，连接到二次仪表上，从而显示出对应的温度。
[0057]
检定管路单元第一条管线与所述水塔连接并串接有标准流量计3、压力表7和温度表6；第二条管线与所述干燥器1连接并串接有压力表7和标准流量计3；第三条管线通过压力表7与所述水箱连接。
[0058]
阵列通道5设置在检定管路单元的第一条管线上。数据处理控制装置与流体循环装置相连接，控制流体循环装置进行水源和气源的循环工作。
[0059]
数据处理控制装置包括有工业控制计算机、plc模块、继电器和电源。
[0060]
数据处理控制装置硬件采用工业控制计算机，控制模块采用西门子plc模块，继电器可采用松下产品，现场阀门2及仪表供电选用西门子电源模块，保障整个装置测控可靠。plc实现测量部分各种控制，对各种信号实时采集完成检定过程的控制，能够可靠的实现远程操作，也兼有数据前沿处理和管理功能，主要实现所有流量仪表、各种变送器自动采集并输出多路控制信号自动控制流量达到检定要求。工业控制计算机控制系统中各个阀门2的开关，同时与系统中各个绝压变送器、温度变送器、标准流量计3、压力表7和温度表6相连接。
[0061]
实施例2
[0062]
本发明气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测方法，包括如下步骤：
[0063]
a、所述气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测方法应用于实施例1所述的气液两相流截面速度场微通道阵列差压式检测系统。调试好巡检仪，使巡检仪中的电路输入与压力输出信号同步。
[0064]
b、接通电源，打开检定管路单元的旋拧阀门2，打开水源单元和气源单元，水泵4将水箱中的水抽出并流向水塔高处，形成水压差从底端流出，水依次流过标准流量计3、压力表7、阵列通道5和温度表6，水箱中的水和气源单元中的气体一起通入混合器，在混合器中气液按体积分数分配一起通入水箱形成闭环。
[0065]
气液两相流体自管道流入到矩阵通道内，当流体遇到压力传感器17的同时，压力传感器17产生电信号，流体经过数据提取管段8后，在观测管段11重新组合形成管道内的气液两相流，由于后方设置有与数据提取管段8的同样阵列小通道16结构的稳流管段10，可以使流形在一定范围内固定。因此，在一定的流速范围内，观测管段11的流速可以用小通道16内的流速所代替。
[0066]
气液两相流体在一定时间段内呈现稳定状态，流体经过阵列通道5时，巡检仪和数据采集卡开始运行，对每一个小通道16内的传感器进行电源供给以及信号采集，信号由fpc线路板传输到巡检仪上，并传输到数据采集卡，每次巡检阵列通道5一层小通道16内的压力信息，采集过后的信号进入数据处理控制装置。
[0067]
由流体循环装置给阵列通道5提供稳定的气液两相流，气液两相流在阵列通道5内的压力传感器17两端产生电信号，并且输出到数据处理控制装置中，压力传感器17的表达式为：
[0068]
e＝kδp
(x，y)
[0069]
δp
水(x，y)
＝h
f水
ρg
[0070]
δp
气(x，y)
＝h
f气
ρg
[0071]
由v2＝2hfdg/λl，推得阵列通道5内气液两相流速度表达关系式为：
[0072][0073]
此表达式说明速度大小只与气相或者液相沿程阻力损失hf有关。
[0074]
式中，pn为测得的管道内压力值，p
水
为气液两相的分界压力值，e为电信号，k为压力与电信号转换系数，f(x，y)为各位置小通道16速度表达函数，hf为作用力产生的沿程阻力损失h，λ为沿程阻力系数，d为管道内径，l为流体在管道的层流段长度，g为测量当地的重力加速度，单位m/s2，δp
(x，y)
为坐标为(x，y)测量小通道16的压差；
[0075]
c、小通道16内的压力值(压差)通过(mems)压力传感器17检测并实时传输到数据处理控制装置中，两个压力传感器17产生在小通道16内的不同位置压力相减，产生压力差δpn；
[0076]
在数据处理过程中，要遵循先前实验结果所得的结论来判断小通道16中相的性质，即：纯水与纯气的压力变化范围是不一样的，同样流速下纯水相压力范围是100kp-200kp，气相压力范围是1kp-2kp，纯水相的压力远大于纯气相的压力。δp
水min
在此处采用100kp。又由水的张力，在小通道16内只产生单独气相和液相，故可易判断小通道16内的压力值，并利用阵列通道5内气液两相流速度表达关系式来计算小通道16内的速度。
[0077]
当小通道16内的压差大于水相的最小压差时δpn≥δp
水min
≥0，此时，小通道16内的压差为水相产生的压差δpn＝δp
水相(x，y)
，则管道内的流体速度，则管道内的流体速度
[0078]
当小通道16内的压差小于水箱的最小压差时δp
水min
≥δpn≥0，此时，小通道16内的压差为气相产生的压差δpn＝δp
气相(x，y)
，则管道内的流体速度，则管道内的流体速度
[0079]
e、数据处理控制装置对每一组小通道16内的气液两相流的速度进行整合，最后得到气液两相流的截面速度场。将所有小通道16内的气液两相流的流动速度提取，组合成整个管道截面气液两相流的截面速度场。气液两相流流过阵列通道5时，经仿真运算，经过数据提取管段8与稳流管段10的作用下，通道内的气液两相流可以表征检测段的气液两相流速度场的分布情况。